(57)【要約】【課題】  半導体圧力センサの感度温度特性を極力抑える。【解決手段】  圧力検出用のダイアフラム１２が形成された半導体基板１０と、半導体基板１０が接合されているガラスからなる台座１５と、ダイアフラム１２に形成され、ダイアフラム１２の歪みに伴うピエゾ抵抗効果に基づいて抵抗値が変化するゲージ抵抗１３とを備え、ゲージ抵抗１３の抵抗値変化に基づいてダイアフラム１２に印加された圧力に対応する圧力検出値を出力する圧力センサにおいて、温度変化によるゲージ抵抗１３の抵抗値の変化と、温度変化によるピエゾ抵抗効果に基づくゲージ抵抗１３の抵抗値変化割合の変化とに起因する圧力検出値の第１の変化と、温度変化による半導体基板１０と台座１５との間に生じる熱歪みに起因する圧力検出値の第２の変化との差が小さくなるように、台座１０の厚さおよび線膨張係数を調整して、圧力検出値の第２の変化を調整する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力検出用のダイアフラム（１２）が形成された半導体基板（１０）と、前記半導体基板（１０）が接合されているガラスからなる台座（１５）と、前記ダイアフラム（１２）に形成され、前記ダイアフラム（１２）の歪みに伴うピエゾ抵抗効果に基づいて抵抗値が変化するゲージ抵抗（１３）とを備え、前記ゲージ抵抗（１３）の抵抗値変化に基づいて前記ダイアフラム（１２）に印加された圧力に対応する圧力検出値を出力する圧力センサにおいて、
温度変化による前記ゲージ抵抗（１３）の抵抗値の変化と、温度変化による前記ピエゾ抵抗効果に基づく前記ゲージ抵抗（１３）の抵抗値変化割合の変化とに起因する前記圧力検出値の第１の変化と、温度変化による前記半導体基板（１０）と前記台座（１５）との間に生じる熱歪みに起因する前記圧力検出値の第２の変化との差が小さくなるように、前記台座（１０）の厚さおよび線膨張係数を調整して、前記圧力検出値の第２の変化を調整することを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記台座（１５）の厚さおよび線膨張係数の調整は、前記ダイアフラム（１２）の面積および厚みに基づいて行うことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力検出用のダイアフラムを有する半導体基板をガラス台座に接合して構成される圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種の圧力センサとしては、薄肉部としての圧力検出用のダイアフラムおよびダイアフラムの周囲に位置する厚肉部が形成されてなる半導体基板と、一面側が半導体基板の厚肉部に接合されたガラス台座とを備えるものが知られている。ダイアフラムには拡散ゲージ抵抗が形成されており、ダイアフラムの歪みに伴ってピエゾ抵抗効果により検出信号を出力する。
【０００３】
一般的な圧力センサは、感度特性が温度の影響を受ける感度温度特性（ＴＣＳ）を有している。このような感度温度特性の主要因は、（１）ゲージ抵抗に起因するもの、（２）ピエゾ抵抗効果に起因するもの、および（３）センサチップのシリコン部と台座ガラスの熱歪みに起因するものである。これらのうち、（１）ゲージ抵抗１３に起因する感度温度特性は、温度が高いほどゲージ抵抗１３の抵抗値が高くなり、ゲージ抵抗値が高くなるほどセンサ感度が高くなることで発生する。（２）ピエゾ抵抗効果に起因する感度温度特性は、温度変化によりピエゾ抵抗効果による抵抗変化割合が変化することで発生する。そして、（１）ゲージ抵抗と（２）ピエゾ抵抗効果を起因とする温度特性は、ゲージ抵抗の不純物濃度によって定まる。
【０００４】
図４は、（１）ゲージ抵抗による温度特性と（２）ピエゾ抵抗効果による温度特性の、ゲージ抵抗の不純物濃度を変化させた場合におけるそれぞれの温度変化率を示している。図４に示すように、（１）ゲージ抵抗による温度特性と（２）ピエゾ抵抗効果による温度特性は、不純物濃度を変化させた場合の温度変化率の増加・減少の方向が逆向きであり、互いに相殺する関係になっている。しかし、一般的な圧力センサは、設計上や製作工程上の制約から、ピエゾ抵抗効果のよる温度特性とゲージ抵抗による温度特性の影響が相殺できる不純物濃度にはなっておらず、結果、温度特性を持っている。
【０００５】
次に、上記（３）センサチップのシリコン部と台座ガラスの熱歪みに起因する温度特性について説明する。図５はセンサチップのシリコン部と台座ガラスの線膨張係数の相違を示しており、（ａ）は低温時、（ｂ）は高温時を示している。図５に示すように、センサチップの台座ガラスＪ１５とシリコン基板Ｊ１０間では、その線膨張係数に差があり、熱歪みが発生する。具体的には、台座ガラスＪ１５の線膨張係数はシリコン基板Ｊ１０よりも大きいため、高温のときは低温のときよりもダイアフラムＪ１２は外へと引っ張られる向きに熱歪みが発生する。これは感度を小さくする向き、すなわち感度温度特性がマイナスとなる方向に影響する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の圧力センサは、上述の（１）〜（３）に起因する感度温度特性を回路によって補正し、感度特性に対する温度変化の影響が小さくなるようにしている。ところが、製品によっては感度温度特性が非常に大きく、回路調整により感度特性に対する温度変化の影響を抑えることが困難な場合がある。
【０００７】
本発明は上記点に鑑み、半導体圧力センサの感度温度特性を極力抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、圧力検出用のダイアフラム（１２）が形成された半導体基板（１０）と、半導体基板（１０）が接合されているガラスからなる台座（１５）と、ダイアフラム（１２）に形成され、ダイアフラム（１２）の歪みに伴うピエゾ抵抗効果に基づいて抵抗値が変化するゲージ抵抗（１３）とを備え、ゲージ抵抗（１３）の抵抗値変化に基づいてダイアフラム（１２）に印加された圧力に対応する圧力検出値を出力する圧力センサにおいて、
温度変化によるゲージ抵抗（１３）の抵抗値の変化と、温度変化によるピエゾ抵抗効果に基づくゲージ抵抗（１３）の抵抗値変化割合の変化とに起因する圧力検出値の第１の変化と、温度変化による半導体基板（１０）と台座（１５）との間に生じる熱歪みに起因する圧力検出値の第２の変化との差が小さくなるように、台座（１０）の厚さおよび線膨張係数を調整して、圧力検出値の第２の変化を調整することを特徴としている。
【０００９】
このように、台座（１５）の厚みおよび線膨張係数を調整することで、シリコン基板（１０）と台座（１５）の熱歪みに起因する感度温度特性を調整し、ゲージ抵抗（１３）およびピエゾ抵抗効果に起因する感度温度特性と、シリコン基板（１０）と台座ガラス（１５）の熱歪みのそれぞれに起因する感度温度特性とが互いに打ち消し合うようにすることができる。これにより、圧力センサの感度温度特性を極力抑え、ゼロに近づけることができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明では、台座（１５）の厚さおよび線膨張係数の調整は、ダイアフラム（１２）の面積および厚みに基づいて行うことを特徴としている。これにより、より適切に圧力センサの感度温度特性を抑え、ゼロに近づけることができる。
【００１１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。図１は、本実施形態の圧力センサＳ１の斜視断面図である。
【００１３】
圧力センサＳ１は、本発明でいう半導体基板としてのシリコン基板１０に対し、周知の半導体製造技術を施すことにより製造される。シリコン基板１０には、たとえばアルカリ液を用いた異方性エッチングにより凹部１１が形成されており、この凹部１１の形成に伴い薄肉部となった凹部１１の底部は、薄肉部としての圧力検出用のダイアフラム１２して形成されている。このダイアフラム１２には、ダイアフラム１２の歪みに伴う抵抗値変化に基づく検出信号を出力するためゲージ抵抗１３が形成されている。このゲージ抵抗１３は、イオン注入、拡散を施すことで形成される。
【００１４】
そして、これらゲージ抵抗１３は、同じくイオン注入、拡散により形成された拡散配線層（図示しない）により、ホイートストンブリッジを構成するように結線され、電気的に接続されている。なお、このようなホイートストンブリッジ回路においては、当該ブリッジ回路における入力端子間に直流定電圧を与えた状態で、ダイアフラム１２の歪みがゲージ抵抗の抵抗値変化として現れ、出力端子間から被検出圧力に応じたレベルの電圧が検出信号（圧力検出値）として出力されるようになっている。すなわち、ダイアフラム１２に圧力が印加されることでダイアフラム１２に歪みが発生し、このダイアフラム１２の歪みに伴うピエゾ抵抗効果に基づいてゲージ抵抗１３の抵抗値が変化する。このゲージ抵抗１３の抵抗値変化に基づいてダイアフラム１２に印加された圧力に対応する圧力検出値が出力される。
【００１５】
また、図１中において破線で示すように、シリコン基板１０の表面には、半導体圧力センサＳ１を保護するためのシリコン窒化膜等よりなる保護膜（パッシベーション膜）１４が積層されている。
【００１６】
シリコン基板１０における凹部１１が形成された側には、ホウ珪酸ガラスなどからなる台座ガラス１５の一面が陽極接合により接合されている。ここで、凹部１１内はたとえば真空等の一定圧力にて気密に封止されることで圧力基準室として形成される。台座ガラス１５は、接着剤１６を介してケース１７に固定されている。
【００１７】
次に、台座ガラス１５の厚みＤと線膨張係数について説明する。上記「背景技術」の欄で説明したように、圧力センサＳ１の感度温度特性は、主に（１）温度変化によるゲージ抵抗１３の抵抗値変化、（２）温度変化によるピエゾ抵抗効果に基づくゲージ抵抗１３の抵抗値変化割合の変化、（３）温度変化によるシリコン基板１０と台座ガラス１５の熱歪みの変化の３つの要因に起因する。本実施形態の圧力センサＳ１は、台座ガラス１５の厚みＤおよび線膨張係数を調整することで、これらの（１）〜（３）からなる３つの要因に起因する感度温度特性をゼロに近づけるように構成されている。
【００１８】
すなわち、（１）ゲージ抵抗に起因する感度温度特性と（２）ピエゾ抵抗効果に起因する感度温度特性は、ゲージ抵抗１３の不純物濃度で定まる。そこで、台座ガラス１５の厚みＤおよび線膨張係数を調整することで、（３）シリコン基板１０と台座ガラス１５の熱歪みに起因する感度温度特性を調整し、（１）ゲージ抵抗１３および（２）ピエゾ抵抗効果に起因する感度温度特性と、（３）シリコン基板１０と台座ガラス１５の熱歪みに起因する感度温度特性とが互いに打ち消し合うようにする。なお、（１）ゲージ抵抗１３および（２）ピエゾ抵抗効果に起因する感度温度特性が本発明の圧力検出値の第１の変化に相当し、（３）シリコン基板１０と台座ガラス１５の熱歪みに起因する感度温度特性が本発明の圧力検出値の第２の変化に相当している。
【００１９】
図２は、台座ガラス１５の厚みＤと感度温度特性（ＴＣＳ）との関係のシミュレーション結果を示している。図２では、ダイアフラム１２の厚みが２９μｍの圧力センサＳ１を用いている。図２に示す例では、台座ガラス１５の厚みＤが大きくなるほど感度温度特性が小さくなることが分かる。このように、台座ガラス１５の厚みＤを調整することで、圧力センサＳ１の感度温度特性を調整することができる。
【００２０】
また、台座ガラス１５の線膨張係数を調整することによっても、（３）シリコン基板１０と台座ガラス１５の熱歪みに起因する感度温度特性が変化する。そこで、台座ガラス１５の厚みＤの調整に加え、台座ガラス１５の線膨張係数を調整することで圧力センサＳ１の感度温度特性を可能な限りゼロに近づける。台座ガラス１５の線膨張係数は、ガラス中の不純物濃度を変化させることで調整することができる。
【００２１】
次に、圧力センサＳ１の感度温度特性とダイアフラム１２の構造との関係について説明する。図３は、ゲージ抵抗１３の不純物濃度と、台座ガラス１５の厚みＤおよび線膨張係数とを同一にした圧力センサＳ１において、ダイアフラム１２の厚みｔと面積Ｓを変化させた場合の感度温度特性を示している。図３中の左側に向かってセンサ感度が低く、高圧検出用センサとなっており、図３中の右側に向かってセンサ感度が高く、低圧検出用センサとなっている。
【００２２】
圧力センサＳ１の感度は、ダイアフラム１２の構造（厚みｔと面積Ｓ）と相関関係があり、ダイアフラム１２の厚みｔが厚いほどセンサ感度が低下し、ダイアフラム１２の面積Ｓが小さいほどセンサ感度が低下する。
【００２３】
図３に示すように、圧力センサＳ１の感度温度特性は、ダイアフラム１２の厚さと面積、すなわち圧力センサＳ１の感度（高圧検出用か低圧検出用か）によっても影響を受ける。具体的には、高圧用センサは、感度温度特性（ＴＣＳ）がプラスとなり、低圧用センサは、感度温度特性（ＴＣＳ）がマイナスとなる。
【００２４】
このため、高圧用センサでは感度温度特性がマイナスになる方向に台座ガラス１５の厚みＤおよび線膨張係数を調整する必要があり、低圧用センサでは感度温度特性がプラスになる方向に台座ガラス１５の厚みＤおよび線膨張係数を調整する必要がある。このように、圧力センサＳ１の感度温度特性は、圧力センサＳ１の感度、すなわちダイアフラム１２の厚みｔと面積Ｓに影響されるので、ダイアフラム１２の厚みｔと面積Ｓを考慮して台座ガラス１５の厚みＤおよび線膨張係数を設定することで、より適切に感度温度特性を抑え、ゼロに近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】上記実施形態の圧力センサの斜視断面図である。
【図２】台座ガラスの厚みと感度温度特性との関係を示す特性図である。
【図３】ダイアフラムの厚みと面積を変化させた場合の圧力センサの感度温度特性を示す特性図である。
【図４】従来技術のゲージ抵抗の不純物濃度を変化させた場合におけるゲージ抵抗による温度特性とピエゾ抵抗効果による温度特性の温度変化率を示す特性図である。
【図５】センサチップのシリコン部と台座ガラスの線膨張係数の相違を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２６】
Ｓ１…圧力センサ、１０…シリコン基板、１１…凹部、１２…ダイアフラム、１３…ゲージ抵抗、１５…台座ガラス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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